کمپرسور محوری – آشنایی با پره ها (توربین گاز قسمت ۵)

در قسمت قبلی  مقداری با مقدمات کمپرسور محوری آشنا شدید. تلاش ما بر این است که مباحثی که در این سایت ارائه می شود مطالبی تکراری و کلی نباشد. علاقه مندیم که به مسائل به صورت تخصصی نگاه کنیم. بنابراین در اینجا نیز قصد داریم به صورت علمی و تخصصی مباحث کمپرسور محوری را تحلیل کنیم.

شاید بتوان گفت که در قدم اول باید به تشریح پره های یک کمپرسور محوری بپردازیم. همانطور که گفتیم در کمپرسور قرار است که فشار افزایش یابد. وقتی جریان از بین پره ها عبور می کند، فشارش زیاد شود. این اتفاق به خاطر شکل این پره ها هست.

مناسب است که با برخی از واژه های مهم در یک ایرفویل آشنا بشوید تا در مرحله بعد به سراغ خود پره های کمپرسور برویم:

Chord line: خطی فرضی که لبه حمله را به لبه ی فرار متصل می کند.

Camber line: مکان هندسی نقاطی است که از انحنای بالا و پایین ایرفویل به یک فاصله باشند.

Leading edge: اولین جای ایرفویل که جریان را ملاقات می کند.

Trailing edge: اخرین نقطه از ایرفویل که جریان ان را ترک می کند.

Chord: طول خط افقی است که لبه حمله را به لبه فرار متصل می کند

Angel of attack: زاویه ای است که راستای جریان با chord line می سازد.

برای آشنایی بیشتر با ایرفویل ها می توانید به قسمت آموزشی ایرفویل رجوع کنید.

ردیف پره ها (Cascade)

فرض کنید به شما گفته اند که ایرفویل مربوط به پره های کمپرسور را در یک نرم افزار تحلیل کنید و شما هم شاید فکر کنید که صرفا با مدل کردن یک ایرفویل می توانید به طور کامل آن پره را تحلیل کنید. حال آنکه واقعیت چیز دیگریست. در یک کمپرسور (و به طور کلی در توربوماشینها) هر پره روی پره های اطراف خود اثر می گذارد و به همین دلیل برای شبیه سازی پره روتور یا استاتور ردیفی از پره ها را در نظر میگیریم. به این ردیف پره ها، cascade میگوییم. یعنی cascade ردیفی فرضی از ایرفویل است.

حال باید بدانیم که چه اصطلاحاتی در یک ردیف پره مهم است، در تصویر زیر ردیف پره های کمپرسور را می بینید که زوایایی مهم در آن نشان داده شده است:

در تصویر فوق برخی اصطلاحات بیان شده است. مثل اندازه و خط وتر، خط کمبر و فاصله pitch که بیان گر فاصله دو پره از هم می باشد.

در لبه حمله، زاویه ای که بین خط کمبر با محور کمپرسور ایجاد می شود، زاویه ورودی پره  گویند (Blade inlet angle, α’۱).

در لبه فرار، زاویه ای که بین خط کمبر با محور کمپرسور ایجاد می شود، زاویه خروجی پره (Blade outlet angle, α’۲) میگوییم…

به زاویه ای که chord line با محور کمپرسور میسازد زاویه نصب پره یا stagger angle میگوییم که با λ نمایش داده می شود.

زاویه ای که هوا به پره ها برخورد می کند با α’۱ متفاوت است و در شکل با air inlet angle – a1 نمایش داده شده است به اختلاف این دو، زاویه برخورد یا incidence angle میگوییم که با i نشانش می دهیم. زاویه incidence اهمیت زیادی در تحلیل و آیرودینامیک پره ها دارد و تمام تلاش متخصصین و طراحان کمپرسور در این است که این زاویه نزدیک صفر باشد. زیاد بودن این زاویه منجر به اتفاقات خطرناکی در کمپرسور می شود که در ادامه توضیح داده خواهد شد.

هنگامی که جریان هوا توسط پره ها منحرف میشود و در مسیری دیگر حرکت میکند در مقابل این تغییر مقاومت نشان میدهد و با زاویه ای بزرگ تر از α’۲ پره را ترک میکند که به ان (air outlet angle) میگوییم و در شکل با α۲  نشان داده شده است.

به اختلاف زاویه خروجی پره α’۲ و زاویه خروجی هوا α۲، زاویه انحراف یا deviation angle  میگوییم که در شکل با δ نشان داده شده است حالا اگر زاویه ورودی هوا α۱ و خروجی هوا α۲  را از هم کم کنیم  مقدار زاویه ای که هوا در مجموع منحرف شده به دست می اید که به ان deflection angle  میگوییم.

تست ردیف پره در تونل باد

احتمالا شما هم دقت کرده اید که وقتی ردیف پره ها را در اتاقک آزمون تونل باد قرار می دهند به صورت مورب می باشد. چرا به صورت عمودی قرار نمی دهند؟

جواب این سوال در نحوه قرار گیری پره ها روی دیسک و دیواره کمپرسور نهفته است. اگر در محیط دانشگاهی شما کمپرسوری محوری و برش خورده وجود داشته باشد، می تونید از کنار نحوه نصب پره ها را ببینید:

در تست  Cascade خروجی های زیر را می توان گرفت:

۱) توزیع فشار سطحی

۲) رفتار لایه مرزی روی پره ها (خصوصا ردیف پره های اول بسیار مهمترند)

۳) بررسی اثر جریان بالادست روی عملکرد پره ها

۴) نمایش الگوی جریان

۵) محاسبه افت فشار کل مجموعه پره (ناشی از اصطکاکها، جدایش جریان و …)

چگونگی افزایش فشار توسط پره های کمپرسور

از قانون برنولی میدانیم که دیفیوزر فشار را افزایش میدهد و سرعت را کاهش و نازل عکس این عمل را انجام میدهد یعنی با افزایش سرعت فشار را کاهش می دهد.

بین پره های کمپرسور هم این اتفاق می افتد. یعنی گذرگاه جریان در فاصله بین لبه های فرار پره ها بزرگتر از ورودی می باشد:

اما هر جایی که گرادیان فشار مثبت وجود داشته باشد، پدیده جدایش جریان نیز وجود خواهد داشت. در واقع یکی از چالشهای اصلی در بحث کمپرسور جدایش جریان است و بر همین اساس طراحی شکل ایرفویل ها بسیار اهمیت می یابد. ایرفویلهایی که در توربین گاز و کمپرسور استفاده می شود از نوع ایرفویلهای مرسوم در  هواپیماها نیستند و طراحی خاص خودشان را دارند. معمولا ایرفویلهای سری ۶ ناکا یکی از موارد کاربردی در پره های کمپرسور محوری می باشند.

 انتخاب ایرفویل پره برای کمپرسور

برای انتخاب پروفیل پره های کمپرسور دو روش مرسوم وجود دارد:

۱) direct method: در این روش که Analysis method هم می گویند، با مطالعه  تجربی در تونل باد و یا تحلیل تئوری، بهینه ترین پروفیل را از نظر عملکرد به دست می آورند.

۲) Inverse method: به این روش Synsethis method هم می گویند. در این روش طراح از طریق تعریف توزیع فشار سطحی یا سرعت روی سطح ایرفویل به یک پروفیل مناسب می رسد. برای مثال طراح در اول نمودار توزیع فشار روی سطح ایرفویل را جوری تعریف می کند که جدایش جریان روی سطح suction ایرفویل وجود نداشته باشد. آنگاه از طریق روشهایی شکل ایرفویل را استخراج می کند.

برای اطلاعات بیشتر در مورد این روشها فایل زیر را مطالعه کنید:

download-whight

4 دیدگاه درباره “کمپرسور محوری – آشنایی با پره ها (توربین گاز قسمت ۵)

  1. رضا

    سلام. یه سوال دارم اون لحظه ی اول که هواپیما می خواد توربوفن ها رو روشن کنه چه نیرویی فن رو می چرخونه؟ مگه عامل چرخش فن هوای ورودی با سرعت نیست؟

    پاسخ
    • admin نویسنده پست

      سلام…
      به نکته خوبی اشاره کردید. در هواپیماهای واحدی به نام auxiliary power unit – APU داریم که یکی از وظایفش راه اندازی موتورهای توربوفن هواپیماست. اگر توضیحات بیشتری خواستید در انجمن به بحث بگذارید.

      پاسخ
  2. m.j

    با سلام APU برای جاهایی هست که GPU وجود نداشته باشه. چون APU هزینه بالایی برا تعمیر داره بخاطر همین از اون در مواقع اضطراری استفاده میشود.در GPU های جدید از موتور جت استفاده شده که هوای مورد نیاز بعد از استارت رو تأمین میکند تا توربین به چرخش بی افتاده و برای چرخش کمپرسور و فن عمل کن.یکی دیگه از دلایل استفاده نکردن از APU این است که تایمش زود پر میشه.پس به این دلیل شرکتی نمیاد برای خودش خرج درست کنه.الان توی تمام فرودگاهای کشور GPU وجود دارد.

    پاسخ

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *